20世纪80年代以来我国城镇建造的大量低、多层砖砌体结构民用建筑, 其竖向结构构件为纵横向布置的普通黏土实心砖墙, 水平楼盖分为预制空心板和现浇混凝土楼盖两类。如今这些砖砌体结构房屋常面临功能改造问题, 其中, 对建筑物增设电梯等所需的楼盖开洞改造较为常见。

　　 如何构建电梯井道结构, 如何后置洞口周边结构以保证对相关楼盖的有效支承, 如何保证开洞后的楼盖、梁板的安全性与适用性, 如何确保洞口削弱楼盖后整体结构的承载能力和抗侧变形能力满足相关标准要求等, 是后置电梯井道所需的楼盖开洞改造亟待解决的技术问题。而对后张无粘结预应力混凝土楼盖, 还应确保改造施工安全^[1], 尤其是应保证开洞改造不会降低相关梁板内预应力筋有效应力水平^[2,3]。

　　 某邻街的7层砖砌体结构办公楼建造于2001年, 为满足发展要求, 该建筑将改造为公寓式宾馆, 使用功能调整后需在入口大厅端部增设两部相邻的客用电梯。新设电梯所在区域1~7层的原使用功能为大厅、会议室和多功能厅等, 其楼盖采用了长、短边尺寸分别为13.2m和11.7m的无粘结预应力混凝土板, 拟开洞口与预应力板的相对位置关系如图1所示。

　　 预应力板周边支承于490mm厚的黏土实心砖墙上, 黏土实心砖墙采用MU20与M7.5混合砂浆砌筑而成。现浇预应力板厚为230mm, 混凝土设计强度等级为C40, 预应力筋采用抗拉强度标准值为f_ptk=1 860N/mm²的U^s15低松弛钢绞线, 非预应力正弯矩筋采用HRB335级钢筋, 板顶构造非预应力筋采用HPB235级钢筋。预应力筋张拉控制应力为σ_con=0.70f_ptk, 采用一端张拉、一端固定的张拉方式, 张拉端采用单孔夹片锚具。双向预应力筋为U^s15@280, 板底正弯矩非预应力筋为12@100。

　　 由于拟开洞口面积较大 (占板面积的约6%) , 开洞将会导致板的支承条件发生明显变化。该开洞改造工程着力解决了两个关键问题。一是采用“先锚后断”技术保证无粘结预应力筋有效预应力水平下的开洞和电梯井道结构的构建;二是针对开洞后的既有预应力板由四边支承矩形板转变为角部缺失的六边支承异形板, 分析了开洞后预应力板弯矩分布, 确定了控制截面, 采用了近洞口板局部区域粘贴CFRP布的抗弯承载力补强加固方法^[4]。

　　 由于在1~7层层顶的局部楼盖 (轴?~?与轴 (32) ~ (35) 所辖板格) 角部同一位置开设2.28m×4.25m的洞口, 上下形成贯通空间, 需在拟开洞口周边后置4个混凝土柱, 并在各楼层标高及轨道埋件所需的高度处后置混凝土梁, 从而形成电梯井道结构。电梯井道结构除需满足后续电梯设备的安装, 承担并传递新增的电梯荷载外, 还需满足开洞板中预应力筋截断后的永久锚固的支承要求。

　　 考虑到电梯使用空间要求及充分利用原砖墙作为电梯井壁, 待开洞口四角后置了截面尺寸为b×h=400mm×400mm的4个混凝土柱, 其中, 3个后置柱将嵌入砖墙内, 施工前对相关区域楼盖板采用可靠支顶措施, 对砖墙采用静力切割开槽, 使后置柱定位准确, 并保证内嵌的后置柱混凝土浇筑后与砖墙形成整体, 同时减小扰动原结构, 保证施工安全。

　　 预应力板底后置混凝土梁, 通过植筋与板形成整体, 后置梁纵筋锚入后置柱内。检测结果表明, 在分隔两电梯井道的次梁 (图2中NL2) 宽度投影范围的板中无预应力筋, 可直接在静力开槽后按常规方法布置次梁NL2, 各楼层的后置电梯井道结构平面布置及配筋如图2所示。

　　 考虑到后置梁, 柱的材料强度不应低于原结构, 且后置框架混凝土不便于常规振捣等, 采用设计强度等级为C40自密实混凝土。为满足后置柱纵筋贯通及混凝土浇筑等要求, 对后置柱所在位置各层板上开设了450mm×450mm的洞口;沿后置梁长度方向, 在板上设置直径为100mm、间距为1.1m的混凝土浇筑口;后置柱、梁浇筑时, 应注意施工顺序, 使后置结构的模板内空气有效排除, 保证混凝土密实, 尤其是浇筑口及其附近的后浇混凝土应与原结构形成一体^[5]。后置梁NL1 (NL3) 、后置梁NL2及后置柱NZ1的截面分别如图3 (a) ~ (c) 所示。

　　 待后置混凝土框架形成后, 对无粘结预应力筋的截断要保证其有效预应力水平, 应采用“先临时锚固、切断预应力筋、再永久锚固”^[6,7,8]思路对开洞区域涉及的板内双向预应力筋进行截断, 可采用“已建预应力混凝土楼板开洞用工具锚” (专利号:CN1603545) 的专利技术实现, 即通过工具锚对洞口边缘外露预应力筋形成临时锚固体系。

　　 “已建预应力混凝土楼板开洞用工具锚”由如图4所示的开槽式母锚杯、两片分体子锚环及夹片组成。用该工具锚对开洞外露预应力筋实施临时锚固的顺序为:先将母锚杯由其侧槽直接套入开洞外露的预应力筋, 再将两片分体子锚环分别塞入母锚杯杯体内, 最后将夹片塞入两分体子锚环的楔形孔, 夹紧预应力筋, 即形成对已建预应力混凝土板开洞外露预应力筋的临时锚固体系。

　　 具体步骤为:采用钢筋定位仪对板内预应力筋进行准确定位, 在拟开洞口边缘板处人工剔凿开槽, 使得欲截断的预应力筋外露, 在槽口处安装螺旋式间接钢筋和锚垫板, 并后浇C40自密实混凝土, 形成稳定的锚下局压区, 板中预应力筋在梁侧锚固方法如图5所示。为卸除临时锚固用工具锚、实现洞口外缘板预应力筋的永久锚固, 首先将常规单孔夹片锚具的锚环套在被截断预应力筋的外侧, 并用带撑脚的千斤顶张拉被截断的预应力筋, 同时将“已建预应力混凝土板开洞用工具锚”卸除。然后将常规单孔夹片锚的锚环移到所开洞口边缘, 并将夹片塞入锚环楔形孔, 通过油泵对千斤顶回油即实现对已截断预应力筋在所开设洞口边缘的永久性锚固。最后, 逐步剔除各层拟开洞区域混凝土及非预应力筋, 完成洞口开设的开洞改造。

　　 嵌入砖墙的3个后置柱 (图2) 下部与原墙下桩基承台通过植筋连为一体, 计算分析表明, 原砖墙下布置的条形桩基础, 能够承担由这3个后置柱传递来的新增电梯荷载等。对于布置在平面 (图2) 右上角的第4个后置柱, 其基础是通过加大既有连系梁截面实现的, 加固后基础梁与其两端的桩基承台可靠连接共同承担由该后置柱传来的上部荷载。即将图6所示的轴○2/A上连系梁截面尺寸加大, 使其截面宽度b由原来的250mm增大为450mm, 截面高度h由原来的500mm向上增大至900mm, 使后置柱的纵筋锚固在基础梁截面加大区域内, 加固后基础连系梁截面及配筋如图7所示。

　　 既有预应力板为11.7m×13.2m的四边支承矩形板, 开洞前, 板的控制截面为两个跨中截面, 角部开洞后, 转变为角部缺失的六边支承异形板。由于板在开洞前后板格尺寸、形状以及边界支承条件发生变化, 在原设计荷载作用下, 板的控制截面、内力值均发生变化。取恒载标准值为10.25k N/m², 活载标准值为3.5k N/m²。设开洞后板中无粘结预应力筋预应力水平保持不变, 按弹性有限元分析, 可得竖向荷载基本组合、标准组合下板格跨中正弯矩设计值, 若按原配筋计算, 可得板格控制截面抗弯承载力计算值, 如表1所示。由表1可知, 开洞后, 预应力板正截面承载力均不小于外荷载基本组合下弯矩设计值。

　　 对开洞后预应力板的正常使用极限状态分析可知, 板格控制截面最大裂缝宽度计算值为w_{max, x}=0.169 mm和w_{max, y}=0.148 mm, 均小于按一类使用环境条件下三级构件的最大裂缝宽度限值w_lim=0.2mm。按外荷载标准组合并考虑荷载长期作用影响的板格跨中最大挠度计算值为156mm, 在张拉引起的预应力等效荷载作用下, 考虑预压力长期作用影响后, 预应力板使用阶段预加力反拱值为122mm, 板格中心的总变形为34mm, 小于现行国家标准规定的挠度限值l₀/300=39mm。因此, 开洞改造后, 预应力板板格中心的总变形满足现行国家标准对挠度变形限值的要求。

　　 在对轴 (32) ~ (35) 与轴?~?所辖板格角部区域开洞后, 该块板的支承方式发生改变, 不再是四边简支, 邻近开洞处负弯矩区域的板由于钢筋被切断, 不存在受力钢筋, 产生应力集中现象, 需对近洞口板局部区域采取粘贴CFRP布的预应力板抗弯承载力补强加固方法, 具体措施为在上述区域板顶粘贴抗拉强度标准值为3 400MPa、厚度为0.167mm、单位面积质量为300g/m的UT70-30碳纤维 (CFRP) 布的方法进行加固, 如图8所示。

　　 这里需要指出, 后置电梯井道和楼板开洞改造对整体结构的抗侧变形能力影响较小。按抗震设防烈度为6度考虑, 计算表明, 改造后该结构的顶点侧移、层间侧移最大值均满足现行国家标准要求。

　　 图8 开洞板负弯矩影响区粘贴碳纤维布加固图

　　 (1) 对多层楼板进行开洞以新增电梯, 可采用加大截面法加固相关楼盖梁或板下后置梁, 在拟开洞口角部后置混凝土柱, 形成空间框架结构电梯井道。

　　 (2) 在保证开洞影响范围内预应力筋预应力水平的前提下, 方可进行开洞, 应采用“先临时锚固、切断预应力筋、再永久锚固”的思路进行开洞区域预应力筋的切断。

　　 (3) 楼板开洞后形成的异形板在靠近洞口边缘的支座负弯矩影响区没有受力钢筋, 可采用粘贴碳纤维布的方法对其进行加固。